CPS―SPWM調(diào)制方法在H橋多電平變流器中的應用

　　隨著大功率自關斷器件和智能高速微控制芯片的不斷發(fā)展，大功率電力電子變流裝置得到了越來越深入的研究，在大容量電機驅(qū)動、交直流電力傳輸?shù)葓龊系膽梅秶苍絹碓綇V泛了。在大功率電力電子變流裝置的實現(xiàn)上，一個重要的問題就是大功率器件的工作頻率較低，無法適應PWM技術等優(yōu)秀的調(diào)制技術。載波移相正弦波脈寬調(diào)制技術（Carrier phase-shifted SPWM，以下簡稱CPS-SPWM）是為了解決該問題而提出的新技術。

　　田納西大學的Peng F.Z.等人于1996年提出了級聯(lián)H橋型變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，并用于無功補償［1］。級聯(lián)H橋變流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由N個單相全橋模塊在交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成一相橋臂對，直流側(cè)相互獨立，如圖1（a）所示。由3個橋臂對通過Y型或者△連接構(gòu)成三相系統(tǒng)，如圖1（b）所示便為Y型接法示意圖。相對于二極管鉗位型多電平變流器和飛跨電容型多電平變流器，這種級聯(lián)H橋型變流器具有如下優(yōu)點：

　　1）各變流器單元結(jié)構(gòu)相同，容易實現(xiàn)模塊化設計、安裝、維修；

　　2）直流側(cè)相互獨立，電壓均衡容易實現(xiàn)；

　　3）各變流器單元工作對稱，開關負荷平衡。

　　在電壓型變換電路中．輸出的交流電壓為矩形波。早期常用多重化技術把幾個矩形波輸出組合成逼近正弦波的波形。以提高容量、減小諧波對于Lx個三相變流電路單元（每個單元三相，此處用Lx表示多重化中三相變流器的單元數(shù)，以和下面N表示H橋的單元數(shù)區(qū)分，本文以每3-H橋為一個單元），將其輸出波形的相位各錯開π／（3Lx），連同抵消它們之間相位差的變壓器（移相變壓器），可以構(gòu)成脈波數(shù)為6Lx、的變流器系統(tǒng)。輸出波形中包含6kLx±1（k為正整數(shù)）次的諧波。但多重化技術存在以下不足：結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)動態(tài)響應差；各裝置輸入／輸出波形須錯開一定的相位，造成基波損失。

　　多電平組合變流器是采用CPS—SPWM技術和多重化技術相結(jié)合的變流器。該類變流器等效開關頻率高、開關損耗小、動態(tài)響應快、通頻帶寬，便于采用不同的控制策略。H橋型拓撲在多電平變流器的基本拓撲中，具有結(jié)構(gòu)簡單、需要最少數(shù)量的器件、不需要大量的鉗位二極管和飛跨電容、易于模塊化和采用軟開關技術等優(yōu)點。本文介紹H橋的幾種基本結(jié)構(gòu)及其級聯(lián)形式，并以級聯(lián)3-H橋為例．用TMS3201LF2407 DSP發(fā)出控制三相單模塊和單相兩模塊H橋的脈沖信號，使之分別輸出三相三電平和單相五電平。頻譜分析表明只含有開關整倍次及其邊帶諧波，和理論分析的完全一致。

　　1 H橋拓撲結(jié)構(gòu)

　　H橋多電平變流器的基本結(jié)構(gòu)有兩種：一種為三電平H橋（3-LeveL H-hridge．3-H），另一種為五電平H橋（5-LeveL H-bridge，5-H）。其中，五電平H橋又包括二極管鉗位型和電容鉗位型兩種。3-H橋變流器的基本單元如圖1所示，這個基本單元可產(chǎn)生3電平輸出：同時導通S1和S3或S2和S4，就可在兩橋臂間產(chǎn)生極性相反的電平；當同時導通S1和S2或S3和S4時．則輸出零電平。

　　5-H橋變流器的基本單元如圖2所示．以一極管鉗位型為例來說明其電平生成情況、圖2（a）所示5-H單元由全橋式中點鉗位式電路組成，適當改變逆變器中晶體管的開關狀態(tài)，a點和n點可跟d0，d1和d2相連。假設直流側(cè)電壓Vdc為2E，電容上的電壓為Vdc／2。5-H橋基本單元輸出電壓Van可以有五種不同的取值：-2E，-E，0，E和2E。在這個拓撲中，電容上的電壓可以通過對冗余狀態(tài)的選擇保持平衡。

　　以圖1及圖2中的基本電路單元為基礎，可以得到圖3所示的級聯(lián)3-H變流器和圖4所示級聯(lián)5-H變流器。由3一H級聯(lián)而成的電壓型變頻器已由美國羅賓康公司發(fā)明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器。根據(jù)系統(tǒng)對輸出電壓，電平數(shù)的要求可決定級聯(lián)的單元數(shù)。級聯(lián)3-H橋型變流器有很多優(yōu)點：獲得同樣電平數(shù)輸出時，使用的元器件最少；每個變流器單元的結(jié)構(gòu)相同，容易進行模塊化設汁和封裝；各變流器單元之間相對獨立，容易引入軟開關控制；直流側(cè)的均壓比較容易實現(xiàn)；各變流器單元的工作負荷一致等。對于級聯(lián)3-H變流器，級聯(lián)單元數(shù)N（每個3-H變流器為一個單元）和輸出波形電平數(shù)W之間滿足W=2N+l的關系；級聯(lián)5-H變流器對應關系為：W=4N+l。以上各變流器單元的獨立直流源電壓值相同。故若將各獨立電壓源的電壓值分別取為E、2E、4E……2N-1E，則其輸出的電平數(shù)就大幅度地增加到2N+1一l，即得到所謂的改進的級聯(lián)H橋型多電平變流器（Modified Cascade否H-bridgeMultilevel Converter）。但此種拓撲導通器件數(shù)增多，開關損耗加大，電路整體效率下降，調(diào)制策略變得復雜，因而仍在探索階段。